Сегодня в честь Максутова названа малая планета 2568 Maksutov, открытая в 1980 году как раз с помощью менискового телескопа, а также кратер на обратной стороне Луны. Но в первую очередь его имя сохранилось в названиях всех телескопов, использующих его изобретение. Казалось бы, такое простое – и одновременно такое сложное.
Глава 13. Разгоняем частицы
В первую очередь надо понимать, зачем вообще нужны ускорители заряженных частиц – сложные и порой опасные устройства, стоящие миллионы долларов. Вопрос: «Ай-яй-яй, на что идут наши налоги?» – в отношении фундаментальных научных исследований звучит достаточно часто.
Отмечу, что ускоренные частицы встречаются не только в циклотронах и синхрофазотронах, но и в знакомых многим из нас и применяющихся на практике устройствах. Например, в электронно-лучевой трубке (кинескопе) используется направленный поток электронов, который движется к экрану (мишени): это позволяет преобразовать электрический сигнал в изображение (оптическую информацию) и наоборот. Так что если у вашей бабушки сохранился телевизор с ЭЛТ, то вот вам простейший ускоритель. Ещё пример – обычный рентген в поликлинике. Рентгеновские лучи генерируются с помощью специальной электровакуумной трубки, которая является, по сути, ускорителем электронов. Когда разогнанные электроны попадают в материал анода и тормозятся, они резко теряют энергию, испуская так называемое тормозное излучение в рентгеновском диапазоне. Так что рентгеновская трубка тоже дальний родственник Большого адронного коллайдера.
Для получения изображения на экране или генерации рентгеновского излучения слишком мощный ускоритель не нужен, он даже будет вреден. А вот того, чтобы разгонять частицы до очень высоких энергий, он понадобится. Такие частицы являются мощнейшим исследовательским инструментом, изучение их столкновений друг с другом и с различными мишенями может многое сказать о физических свойствах самих частиц, мишеней и в целом об окружающем мире. Ускоритель в этом плане можно назвать микроскопом, который позволяет исследовать мир элементарных частиц, а энергию соударения – смысловым аналогом разрешающей способности объектива, то есть чем выше энергия, тем больше информации об исследуемых объектах мы получаем.
«Как столкновение может о чём-то рассказать?» – спросите вы. Я отвечу: «Косвенно». Нам не под силу заглянуть внутрь атомного ядра с помощью даже самых мощных микроскопов. Значит, информацию нужно получить каким-то другим способом.
Столкновение двух частиц приводит к тому, что из их энергии рождаются новые частицы. Помните знаменитую эйнштейновскую формулу E = mc2? В соответствии с этой формулой при столкновении двух высокоэнергетических частиц могут рождаться другие частицы, если их масса будет меньше энергии исходных частиц.
Энергия частиц измеряется в электрон-вольтах (эВ), где 1 эВ – это энергия, которую приобретает частица с единичным зарядом (например, электрон), проходя разность потенциалов в 1 вольт. Энергии, превышающие энергию покоя частицы (то самое mc2, где m – масса покоя частицы), считаются высокими. Когда частица разогнана до подобной энергии, её скорость приближается к световой, а если на её пути поставить мишень – чаще всего это ядра какого-нибудь элемента, – то образуются продукты соударения, которые можно исследовать, получая информацию об исходных частицах.
Данные о результатах столкновения регистрируются с помощью специальных блоков – детекторов, которые фиксируют заряд, энергию и направление движения образующихся частиц, тем самым позволяя определять их тип. Детекторы могут быть очень разными – от простейших (фотоплёнка) до сложнейших устройств высотой с четырёхэтажный дом.
Введение в ускорители
Ускоритель заряженных частиц – это устройство, которое использует комбинацию электрических и магнитных полей. Электрическое поле ускоряет заряженные частицы, а магнитное определяет направление их движения. Но основной вопрос, который, наверное, возникает у читателя: зачем ускорители строят такими огромными? Почему Большой адронный коллайдер имеет длину кольца в 27 километров?! И почему он вообще кольцеобразный, проще ведь разгонять по прямой – или нет?
Нет. Чем больше длина траектории, тем большую энергию можно придать частицам. А по замкнутому кольцу частицы способны двигаться бесконечно, круг за кругом, и на каждом круге электрическое поле будет «подхлёстывать» их, разгоняя до всё большей и большей энергии. Конечно, существуют линейные ускорители, но максимальные энергии, достижимые в них, значительно меньше, нежели в циклических (кольцевых).
Размеры ускорителей обусловлены необходимостью поддерживать сильное магнитное поле, которое «поворачивает» частицы. Чем большую энергию при разгоне приобретают частицы и чем меньше радиус их поворота, тем большее магнитное поле требуется для удержания их на траектории. Соответственно, для того, чтобы обойтись меньшим магнитным полем, нужно увеличивать радиус: чем он больше, тем ближе траектория к прямой линии и тем меньше энергии требуется на корректировку движения. А увеличение радиуса поворота естественным образом ведёт к увеличению размера колец ускорителя.
Помимо того, при движении по круговой траектории частицы испускают так называемое синхротронное излучение, на которое растрачивается часть их энергии. Чем меньше радиус траектории, тем больше энергии частицы при повороте уходит в излучение. Когда потери энергии в единицу времени превышают энергию, которая затрачивается на разгон, ускорение прекращается. Соответственно, увеличение радиуса ускорителя позволяет уменьшить затраты на синхротронное излучение и увеличить предельную энергию, до которой можно разогнать частицы.
«Ускоритель» – это название большой группы приборов. Как я писал выше, даже телевизионная ЭЛТ представляет собой небольшой ускоритель, правда линейный и с очень маленькой энергией (10–25 кэВ). Большие ускорители могут разгонять частицы до энергий в десятки, сотни тысяч, миллионы или даже миллиарды раз выше.
Ускорители делятся на две большие конструктивные группы: линейные и циклические. Внутри этих групп существует более узкое деление в зависимости от конфигурации электрического и магнитного полей – бетатроны, циклотроны, микротроны, синхрофазотроны, фазотроны и т. д. Коллайдер – термин немного другого плана: коллайдерами называются ускорители, в которых пучки частиц не бомбардируют неподвижную мишень, а сталкиваются «лоб в лоб» с аналогичным образом разогнанным пучком (ускоритель на встречных пучках). Такая схема позволяет повысить энергию столкновений в несколько раз за счёт эффектов теории относительности.
Ещё встречается вопрос: откуда берутся частицы для ускорителя? Они берутся из ионных источников – устройств, создающих поток ионов (атомов, от которых оторваны один или несколько электронов) с помощью нагрева или электрического разряда. Например, в Большом адронном коллайдере разгоняют ионы (ядра атомов) водорода, которые получают, ионизируя водород из баллонов электрическим разрядом.
